这款卓越的脊柱植入物是由计算机自动完成的

3D打印在脊柱植入物方面可以发挥的优势是,通过采用正确的设计,钛种植体可以模制成更接近人体骨骼的形状和硬度。而有趣的是为了更加接近人体骨骼的形状和硬度,建模过程可以通过计算机算法来自动完成。

珊瑚状的结构计算机来完成

加利福尼亚州的医疗公司NuVasive创建了珊瑚状的脊柱植入物,由钛制成,精确地放在两块椎骨之间。通过模仿人体骨骼的多孔性和硬度,它可以加速手术后的骨骼生长与康复。
脊柱外科医生通常使用由高性能塑料制成的植入物,因为材料比金属刚性小,但也是多孔的。但NuVasive的研究表明,采用正确的设计,钛可以塑造成更接近人体骨骼的形状和硬度 – 与塑料相比更强大。但是如何在保持这种强度的同时使它变得多孔而且更加接近人体骨骼的真实状态?NuVasive尝试了创成式设计软件。

创成式设计的过程是这样的,NuVasive将约束条件(如种植体的重量和多孔性)设置到软件中,然后要求该算法提供适合该约束条件的建模解决方案。计算机建模不仅快速,而且可以破除一些思维的束缚,人类对很多事物都有着先入为主的观念,这使得原创想法并不容易实现。

3D科学谷了解到设计人员在设计中用到了Autodesk的Dreamcatcher程序,创造出拥有不寻常的复杂几何结构设计作品。

—- 3D科学谷Review

软件方面,当前在3D打印领域,提到最多的可能是拓扑优化,而不是创成式设计。虽然很多场合二者都是混为一谈的,但细究起来创成式设计(Generative Design)是根据一些起始参数通过迭代并调整来找到一个(优化)模型。拓扑优化(Topology Optimization)是对给定的模型进行分析,常见的是根据边界条件进行有限元分析,然后对模型变形或删减来进行优化。

这款卓越的脊柱植入物是由计算机自动完成的

创成式设计(Generative Design)是一个人机交互、自我创新的过程。根据输入者的设计意图,通过”创成式”系统,生成潜在的可行性设计方案的几何模型,然后进行综合对比,筛选出设计方案推送给设计者进行最后的决策。

通俗理解创成式设计是一种通过设计软件中的算法自动生成艺术品、建筑模型、产品模型的设计方法。创成式设计是一种参数化建模方式,在设计的过程中,当设计师输入产品参数之后,算法将自动进行调整判断,直到获得最优化的设计。目前比较著名的创成式设计软件包括欧特克的Within,欧特克的Dreamcatcher,西门子的Solid Edge ST10等。

在未来的创成式设计中,还将融合人工智能、虚拟现实、3D打印、机器学习等新兴技术,将设计过程变得更加智能,让设计的门槛进一步降低。

脊椎植入物方面,根据公开资料,3D打印脊柱植入物用于手术治疗可以追溯到2015年德国Klinikum Karlsruhe神经外科系主任Uwe Spetzger教授的手术案例,德国为一位具有退行性颈椎问题的患者通过手术接受了3D打印的钛金属融合植入物。据称这还是历史上首次成功完成此类手术。

手术过程中使用的植入物是由 EIT Emerging Implant Technologies公司提供的,这是一家专门开发先进的3D打印植入物解决方案的公司。EIT使用3D打印制造出了骨小梁结构的精确复制品,该复制品具有纳米结构的特点,可促进病人骨头的愈合和融合。该植入物的生物力学特性使其可以实现与现有骨骼的内生长,从而可以防止出现再次进行骨移植治疗。

在获得FDA批准的3D打印脊柱植入物,有不少活跃的厂家,除了耳熟能详的大的品牌制造商,还包括K2M以及EIT Emerging Implant Technologies这些企业,根据3D科学谷的市场研究2017年10月初FDA还批准了两款3D打印脊柱植入物。其中一款是有美国脊椎器械制造商ChoiceSpine LP 公司生产的3D打印钛椎体植入物HAWKEYE Ti,另一款是由Nexxt Spine公司生产的NEXXT MATRIXX 3D打印脊柱植入物。

ChoiceSpine公司基于现有的产品组合PEEK HAWKEYE 植入物产品,又增加了针对骨骼生长优化的3D打印钛植入物HAWKEYE Ti。HAWKEYE Ti 是该公司推出的首款3D打印植入物。HAWKEYE Ti 植入物包括大小不同尺寸的植入物产品,尺寸范围从10毫米到50毫米,高度为0度或6度脊柱前凸。

Nexxt Spine公司生产的NEXXT MATRIXX 3D打印脊柱植入物包括一系列的钛植入物产品。该公司使用特有的Nexxt 创成技术,设计出具有多孔结构钛植入物。Nexxt Spine公司表示该植入物具有强大的射线成像性能,并表示这一系列的3D打印植入物中用于骨沉积的表面积与以往的脊柱植入物相比高达4倍,3D打印植入物中孔的体积与常规植入物相比高达2倍。

国内爱康医疗在骨科领域的主要两大业务为关节、脊柱。而最近爱康医疗拟以1.84亿港元全资收购英国享有盛誉的骨科公司JRI。如果此次收购顺利完成,爱康医疗在骨科领域的布局将再下一城。而中国3D打印高端市场的内外资竞争也将走向白热化。

不管是哪一家3D打印脊柱植入物,重要的是FDA对3D打印应用到脊柱治疗解决方案的认可态度,以及3D打印领域的设备厂家与植入物制造厂家的深度结合能力。而这两方面的发展,将开启金属3D打印的应用新篇章。

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